Czym jest fizyka? Definicja, działy i znaczenie

Starożytna astronomia

Astronomia jest najstarszą nauką przyrodniczą. Sumerowie i starożytni Egipcjanie studiowali gwiazdy, głównie w celach prognostycznych i religijnych. Pierwsze babilońskie mapy gwiazd pochodzą z około 1200 r. p.n.e. Fakt, że wydarzenia astronomiczne są okresowe również pochodzi od Babilończyków. Ich rozumienie nie było naukowe, ale ich obserwacje wpłynęły na późniejszą astronomię. Duża część astronomii pochodziła z Mezopotamii, Babilonii, starożytnego Egiptu i starożytnej Grecji. Astronomowie z Egiptu budowali pomniki, które pokazywały, jak poruszają się obiekty na niebie, a większość nazw gwiazdozbiorów na półkuli północnej pochodzi od greckich astronomów.

Filozofia naturalna

Filozofia naturalna rozpoczęła się w Grecji około 650 r. p.n.e., kiedy to ruch filozofów zastąpił przesądy naturalizmem, który obalał to, co duchowe. W tym okresie Leucippus i jego uczeń Demokryt zaproponowali ideę atomu.

Fizyka w średniowiecznym świecie islamskim

Uczeni islamscy kontynuowali studia nad fizyką arystotelesowską podczas Złotego Wieku Islamu. Jeden z głównych wkładów był do astronomii obserwacyjnej. Niektórzy, jak Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi i Avicenna, pracowali nad optyką i wizją. W "Księdze optyki" Ibn al-Haytham odrzucił wcześniejsze greckie idee dotyczące widzenia i zaproponował nową teorię. Badał, w jaki sposób światło dostaje się do oka, i opracował camera obscura. Na podstawie tej książki europejscy naukowcy zbudowali później okulary, lupy, teleskopy i aparaty fotograficzne.

Fizyka klasyczna

Fizyka stała się odrębną dziedziną nauki po rewolucji naukowej. Eksperymenty Galileusza przyczyniły się do powstania fizyki klasycznej. Choć nie wynalazł teleskopu, używał go, patrząc w nocne niebo. Poparł ideę Kopernika, że Ziemia porusza się wokół Słońca (heliocentryzm). Badał też grawitację. Isaac Newton wykorzystał idee Galileusza do stworzenia swoich trzech praw ruchu i prawa powszechnego ciążenia. Razem prawa te wyjaśniały ruch spadających ciał w pobliżu Ziemi oraz ruch Ziemi i planet wokół Słońca.

W ciągu kilku stuleci rewolucja przemysłowa była w pełnym rozkwicie i dokonano jeszcze wielu odkryć w wielu dziedzinach nauki. Prawa fizyki klasycznej są wystarczająco dobre do badania obiektów, które poruszają się znacznie wolniej niż prędkość światła i nie są mikroskopijne. Kiedy naukowcy po raz pierwszy zajęli się mechaniką kwantową, musieli stworzyć nowy zestaw praw, co zapoczątkowało fizykę współczesną.

Fizyka współczesna

Gdy naukowcy badali cząstki, odkryli to, czego mechanika klasyczna nie potrafiła wyjaśnić. Mechanika klasyczna przewidywała, że prędkość światła jest różna, ale eksperymenty wykazały, że prędkość światła pozostaje taka sama. Przewidywała to teoria szczególnej względności Alberta Einsteina. Einstein przewidział, że prędkość promieniowania elektromagnetycznego w pustej przestrzeni będzie zawsze taka sama. Jego pogląd na czasoprzestrzeń zastąpił starożytne przekonanie, że przestrzeń i czas były odrębnymi rzeczami.

Max Planck wymyślił mechanikę kwantową, aby wyjaśnić, dlaczego metal uwalnia elektrony, gdy świecimy na niego światłem i dlaczego materia emituje promieniowanie. Mechanika kwantowa ma zastosowanie do bardzo małych rzeczy, takich jak elektrony, protony i neutrony, które tworzą atom. Ludzie tacy jak Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger i Paul Dirac kontynuowali prace nad mechaniką kwantową, aż w końcu otrzymaliśmy Model Standardowy.

Fizyka to nauka o energii i materii w przestrzeni i czasie oraz o tym, jak są one ze sobą powiązane. Fizycy zakładają istnienie masy, długości, czasu i prądu elektrycznego, a następnie definiują (nadają znaczenie) wszystkim innym wielkościom fizycznym w kategoriach tych podstawowych jednostek. Masa, długość, czas i prąd elektryczny nigdy nie są zdefiniowane, ale standardowe jednostki używane do ich pomiaru są zawsze zdefiniowane. W Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar (skrót SI od francuskiego Système International) kilogram jest podstawową jednostką masy, metr jest podstawową jednostką długości, sekunda jest podstawową jednostką czasu, a amper jest podstawową jednostką prądu elektrycznego. Oprócz tych czterech jednostek istnieją jeszcze trzy inne: mol, który jest jednostką ilości materii, kandela, która mierzy natężenie światła (moc oświetlenia) oraz kelwin, jednostka temperatury.

Fizyka bada, jak rzeczy się poruszają i jakie siły powodują ich ruch. Na przykład, prędkość i przyspieszenie są używane przez fizykę, aby pokazać, jak rzeczy się poruszają. Fizycy badają również siły grawitacji, elektryczności, magnetyzmu i siły, które trzymają rzeczy razem.

Fizyka bada zarówno rzeczy bardzo duże, jak i bardzo małe. Na przykład, fizycy mogą badać gwiazdy, planety i galaktyki, ale mogą również badać małe cząstki materii, takie jak atomy i elektrony. Mogą również badać dźwięk, światło i inne fale. Mogą również badać energię, ciepło i radioaktywność, a nawet przestrzeń i czas. Fizyka nie tylko pomaga ludziom zrozumieć, jak obiekty się poruszają, ale jak zmieniają formę, jak hałasują, jak gorące lub zimne będą i z czego są zrobione na najmniejszym poziomie.

Fizyka jest nauką ilościową, ponieważ opiera się na mierzeniu za pomocą liczb. Matematyka jest używana w fizyce do tworzenia modeli, które próbują przewidzieć, co się stanie w przyrodzie. Przewidywania te są porównywane z tym, jak działa świat rzeczywisty. Fizycy zawsze pracują nad tym, aby ich modele świata były coraz lepsze.

Mechanika klasyczna zawiera główne tematy, takie jak prawa ruchu Newtona, mechanika Lagrangiana, mechanika Hamiltona, kinematyka, statyka, dynamika, teoria chaosu, akustyka, dynamika płynów, mechanika kontinuum. Mechanika klasyczna zajmuje się siłami działającymi na ciało w przyrodzie, równoważeniem sił, utrzymywaniem stanu równowagi itp.

Elektromagnetyzm to nauka o ładunkach na danym ciele. Zawiera takie podtematy jak elektrostatyka, elektrodynamika, elektryczność, magnetyzm, magnetostatyka, równania Maxwella, optyka.

Termodynamika i mechanika statystyczna są związane z temperaturą. Obejmuje główne tematy, takie jak silnik cieplny, teoria kinetyczna. Używane są takie pojęcia jak ciepło (Q), praca (W) i energia wewnętrzna (U). Pierwsze prawo termodynamiki podaje nam ich związek za pomocą następującego równania (ΔU = Q - W)

Mechanika kwantowa jest nauką o cząstkach na poziomie atomowym z uwzględnieniem modelu atomu. Obejmuje ona podtematy sformułowanie całki ścieżkowej, teorię rozpraszania, równania Schrödingera, kwantową teorię pola, kwantową mechanikę statystyczną.

Względność

Opis ogólny

Fizyka jest nauką o materii i o tym, jak materia oddziałuje na siebie. Materia to każdy fizyczny materiał we wszechświecie. Wszystko jest zbudowane z materii. Fizyka służy do opisu fizycznego wszechświata wokół nas i do przewidywania, jak będzie się on zachowywał. Fizyka jest nauką zajmującą się odkrywaniem i charakteryzowaniem uniwersalnych praw, które rządzą materią, ruchem i siłami, przestrzenią i czasem oraz innymi cechami świata przyrody.

Szeroki zakres i cele fizyki

Zakres fizyki jest szeroki, od najmniejszych składników materii i sił, które utrzymują ją razem, do galaktyk i jeszcze większych rzeczy. Istnieją tylko cztery siły, które wydają się działać w całym tym zakresie. Jednak nawet te cztery siły (grawitacja, elektromagnetyzm, słaba siła związana z radioaktywnością oraz silna siła, która utrzymuje razem protony i neutrony w atomie) są uważane za różne części jednej siły.

Fizyka koncentruje się głównie na celu tworzenia coraz prostszych, bardziej ogólnych i dokładniejszych reguł określających charakter i zachowanie materii oraz samej przestrzeni. Jednym z głównych celów fizyki jest tworzenie teorii, które odnoszą się do wszystkiego we wszechświecie. Innymi słowy, fizyka może być postrzegana jako nauka o tych uniwersalnych prawach, które definiują, na najbardziej podstawowym poziomie, zachowanie fizycznego wszechświata.

W fizyce stosuje się metodę naukową

W fizyce stosuje się metodę naukową. Oznacza to, że zbierane są dane z eksperymentów i obserwacji. Tworzy się teorie, które próbują wyjaśnić te dane. Fizyka wykorzystuje te teorie nie tylko do opisywania zjawisk fizycznych, ale także do modelowania systemów fizycznych i przewidywania, jak te systemy fizyczne będą się zachowywać. Fizycy następnie porównują te przewidywania z obserwacjami lub dowodami eksperymentalnymi, aby wykazać, czy teoria jest słuszna, czy nie.

Teorie, które są dobrze poparte danymi i są szczególnie proste i ogólne, są czasami nazywane prawami naukowymi. Oczywiście, wszystkie teorie, także te znane jako prawa, mogą być zastąpione dokładniejszymi i bardziej ogólnymi prawami, gdy stwierdzona zostanie niezgodność z danymi.

Fizyka jest ilościowa

Fizyka jest nauką bardziej ilościową niż większość innych nauk. Oznacza to, że wiele obserwacji w fizyce może być reprezentowanych w formie pomiarów liczbowych. Większość teorii w fizyce wykorzystuje matematykę do wyrażania swoich zasad. Większość przewidywań wynikających z tych teorii jest liczbowa. Dzieje się tak dlatego, że dziedziny, którymi zajmuje się fizyka, lepiej radzą sobie z podejściami ilościowymi niż inne dziedziny. Nauki mają również tendencję do stawania się bardziej ilościowymi z czasem, gdy stają się bardziej rozwinięte, a fizyka jest jedną z najstarszych nauk.

Dziedziny fizyki

Fizyka klasyczna obejmuje zwykle dziedziny mechaniki, optyki, elektryczności, magnetyzmu, akustyki i termodynamiki. Fizyka współczesna jest terminem zwykle używanym do określenia dziedzin, które opierają się na teorii kwantowej, w tym mechaniki kwantowej, fizyki atomowej, fizyki jądrowej, fizyki cząstek elementarnych i fizyki materii skondensowanej, jak również bardziej nowoczesnych dziedzin ogólnej i szczególnej teorii względności, ale te dwie ostatnie są często uważane za dziedziny fizyki klasycznej, ponieważ nie opierają się na teorii kwantowej. Chociaż tę różnicę można znaleźć w starszych pismach, nie ma ona większego znaczenia, ponieważ obecnie rozumie się, że efekty kwantowe mają znaczenie nawet w dziedzinach, które wcześniej były nazywane klasycznymi.

Podejścia w fizyce

Istnieje wiele podejść do studiowania fizyki i wiele różnych rodzajów działań w fizyce. Istnieją dwa główne rodzaje działań w fizyce: zbieranie danych i tworzenie teorii.

Dane w niektórych subdziedzinach fizyki są podatne na eksperymenty. Na przykład, fizyka materii skondensowanej i fizyka jądrowa korzystają z możliwości przeprowadzania eksperymentów. Fizyka eksperymentalna koncentruje się głównie na podejściu empirycznym. Czasami eksperymenty są przeprowadzane w celu zbadania natury, a w innych przypadkach są wykonywane w celu uzyskania danych, które można porównać z przewidywaniami teorii.

Niektóre inne dziedziny fizyki, takie jak astrofizyka i geofizyka, są głównie naukami obserwacyjnymi, ponieważ większość danych musi być zbierana w sposób pasywny, a nie poprzez eksperymenty. Jednak programy obserwacyjne w tych dziedzinach wykorzystują wiele z tych samych narzędzi i technologii, które są używane w eksperymentalnych dziedzinach fizyki.

Fizyka teoretyczna często wykorzystuje podejścia ilościowe do tworzenia teorii, które próbują wyjaśnić dane. W ten sposób fizycy teoretyczni często korzystają z narzędzi matematycznych. Fizyka teoretyczna często może obejmować tworzenie ilościowych przewidywań teorii fizycznych i porównywanie tych przewidywań ilościowo z danymi. Fizyka teoretyczna czasami tworzy modele systemów fizycznych, zanim dostępne są dane, które mogą te modele przetestować i potwierdzić.

Te dwie główne czynności w fizyce, zbieranie danych, tworzenie teorii i testowanie, wykorzystują wiele różnych umiejętności. Doprowadziło to do znacznej specjalizacji w fizyce, a także do wprowadzenia, rozwoju i wykorzystania narzędzi z innych dziedzin. Na przykład fizycy teoretyczni wykorzystują w swojej pracy matematykę i analizę numeryczną, statystykę i prawdopodobieństwo oraz oprogramowanie komputerowe. Fizycy doświadczalni rozwijają instrumenty i techniki zbierania danych, wykorzystując inżynierię i technologię komputerową oraz wiele innych dziedzin techniki. Często narzędzia z tych innych dziedzin nie do końca odpowiadają potrzebom fizyki i trzeba je zmienić lub stworzyć bardziej zaawansowane wersje.

Często zdarza się, że nowa fizyka zostaje odkryta, gdy fizycy doświadczalni przeprowadzą eksperyment, którego obecne teorie nie są w stanie wyjaśnić, lub gdy fizycy teoretyczni tworzą teorie, które następnie mogą zostać sprawdzone przez fizyków doświadczalnych.

Fizyka eksperymentalna, inżynieria i technologia są ze sobą powiązane. Eksperymenty często wymagają specjalistycznych narzędzi, takich jak akceleratory cząstek, lasery, a ważne zastosowania przemysłowe, takie jak tranzystory i obrazowanie rezonansem magnetycznym, pochodzą z badań stosowanych.

Wybitni fizycy teoretyczni

Znani fizycy teoretyczni to m.in.

• Astronomia
• Energia
• Materia
• Czas